CN114512971A - 混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器及限流方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及饱和铁芯型交流故障限流器技术，具体涉及混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器及限流方法，该限流器包括铁芯、第一直流绕组、第二直流绕组、第一交流绕组、第二交流绕组和直流外围电路；所述铁芯为五柱式结构，包括左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、中间支柱、左工作铁芯、右工作铁芯、上横轭和下横轭，左工作铁芯位于左外侧气隙支柱与中间支柱之间，右工作铁芯位于右外侧气隙支柱与中间支柱之间，上横轭和下横轭分别位于所有支柱的上方和下方，中间支柱嵌有永磁体。该限流器能在电力系统正常运行时，有效调节电力系统潮流；当电力系统发生短路故障时，有效限制系统故障电流，同时降低永磁体的涡流损耗，大大提高了限流器的利用率。

Description

混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器及限流方法

技术领域

本发明属于饱和铁芯型交流故障限流器技术领域，特别涉及混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器及限流方法。

背景技术

随着系统电压等级的提高和负荷规模的不断增大，系统短路电流水平大幅攀升，某些地方甚至超出了断路器的遮断容量。短路电流超标问题日益严重，给系统安全稳定运行带来了隐患，系统采取限流措施迫在眉睫。故障限流器是一种极具前景的限流装置，它的稳态阻抗低，暂态阻抗高，可以自动实现阻抗的切换，可以有效限制短路电流。其中，饱和铁芯型故障限流器以其限流效果好、耐压高、自动触发、可靠性高等优点，逐渐受到广泛关注。然而，功能单一、利用率低和损耗较大等问题仍制约着饱和铁芯交流故障限流器的发展。

针对功能单一、利用率低的问题，现有的多功能交流故障限流器拓扑结构如图1，利用磁控的方式实现输出电感的平滑变化，但拓扑所需的直流偏置电源容量较大，直流损耗问题严重，且限流效果一般。在此基础上，如图2所示的多功能交流故障限流器做出了改进，在原有拓扑的基础上增加了控制系统，电感变化范围更大，但该方法需要额外的触发和反馈系统，增加了短路后的动作时间，提高了成本，而且直流损耗问题仍然没有得到解决。针对直流损耗问题，可以采用永磁体和直流励磁电源混合励磁的方式使其得以改善。现有的一种闭环铁芯式的混合励磁型SCFCL拓扑结构如图3所示，其进一步降低了限流器的直流励磁损耗，但交变磁通经永磁体时会产生涡流效应，引起永磁体的发热问题，这会使永磁体面临退磁风险，进而影响永磁体和限流器的稳定性。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器(Multi-functional SCFCL,MFFCL)。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器，包括铁芯、第一直流绕组、第二直流绕组、第一交流绕组、第二交流绕组和直流外围电路；所述铁芯为五柱式结构，包括左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、中间支柱、左工作铁芯、右工作铁芯、上横轭和下横轭，左工作铁芯位于左外侧气隙支柱与中间支柱之间，右工作铁芯位于右外侧气隙支柱与中间支柱之间，上横轭和下横轭分别位于所有支柱的上方和下方，中间支柱嵌有永磁体；第一直流绕组和第二直流绕组分别绕制在左工作铁芯和右工作铁芯上，并连接直流绕组外围电路；第一交流绕组和第二交流绕组采用紧耦合的方式分别绕制在第一直流绕组和第二直流绕组外侧，且第一直流绕组与第二直流绕组绕制方向一致，第一交流绕组与第二交流绕组绕制方向相反。

在上述混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器中，所述直流绕组外围电路包括直流励磁电源、限流电感、保护电阻和避雷器；避雷器与直流励磁电源并联后依次与限流电感和保护电阻串联；保护电阻与第一直流绕组连接，直流励磁电源与第二直流绕组连接。

在上述混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器中，左工作铁芯、右工作铁芯以及中间支柱截面为圆形、椭圆形或者矩形。

在上述混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器中，左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯、右工作铁芯以及中间支柱截面均为矩形，其长度均相同，左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯的截面积相同，左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯的截面积均小于中间支柱的截面积；上横轭和下横轭的长度和截面积均相等；永磁体的截面积等于中间支柱的截面积；左外侧气隙支柱和右外侧气隙支柱的气隙长度小于永磁体的厚度。

在上述混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器中，永磁体采用稀土永磁体材料钕铁硼；永磁体在左工作铁芯产生的磁通为逆时针方向，在右工作铁芯中产生的磁通为顺时针方向。

在上述混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器中，第一交流线圈和第二交流线圈产生的交流磁通流经上横轭、下横轭、左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯，不流经中间支柱。

一种混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器的限流方法，包括以下步骤：

1)在每半个周期内，左工作铁芯和右工作铁芯其中之一的直流磁通与交流磁通方向一致，另一个工作铁芯中的直流磁通与交流磁通方向相反；

2)当电力系统处于正常状态时，电网工作电流小，直流励磁电源和永磁体产生的直流磁动势较第一交流绕组和第二交流绕组产生的磁动势而言占据绝对优势，正常工作时左工作铁芯、右工作铁芯受直流励磁电源和永磁体的共同影响而饱和，通过调整直流励磁电源大小来改变软磁材料饱和程度，从而控制磁导率，进行故障限流器交流稳态输出电感的平滑调节，实现潮流调控；

3)当电力系统发生短路故障时，系统的故障电流超过额定电流，第一交流绕组或第二交流绕组产生的磁通与直流励磁电源和永磁体产生的磁通方向相反，使得左工作铁芯和右工作铁芯迅速交替的退出饱和；退出饱和后的工作铁芯磁导率上升，导致交流绕组电感值增大，退出饱和的工作铁芯上的交流绕组与直流绕组发生电磁耦合，直流绕组外围电路中的限流电感将串入交流侧，故障限流器的对外电感增大，从而在一个完整的周期内限制短路电流；

4)当电力系统发生短路故障时，交流磁通流经左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯，不经过永磁体，使得永磁体内的涡流损耗大幅度降低；

5)在故障排除后，故障电流减小，电力系统的工作状态恢复正常状态，故障限流器的整体阻抗值减小。

与现有技术相比，本发明的有益效果：1.相较于串联补偿功能的“口”字形限流器，本发明拓扑采用永磁体和直流励磁电源混合励磁的形式，可以有效地减少直流损耗。2.当电力系统处于正常运行时，可以通过控制直流励磁电源的大小改变左右工作铁芯的饱和程度，控制磁导率，进而实现限流器交流绕组稳态输出电感的平滑调节，实现潮流调控。3.相较于闭环铁芯式的混合励磁的饱和铁芯交流故障限流器，本发明采用五柱式拓扑结构，当电力系统发生短路故障时，交流磁通只流过两个最外侧气隙支柱和左右工作铁芯，而不流经中间支柱的永磁体，大大降低了交变磁通经永磁体时会产生的涡流效应以及所引起永磁体的发热问题，使永磁体面临退磁风险降低，提高永磁体和限流器的稳定性。4.当电力系统发生短路故障时，相比较于增加了控制系统的串联补偿功能的“口”字形限流器，本发明不需要通过额外的控制系统，可以通过工作铁芯的退饱和，自动快速地实现对短路故障电流的限制作用。

附图说明

图1为串联补偿功能的“口”字形饱和铁芯交流故障限流器拓扑结构示意图；

图2为控制型串联补偿功能的“口”字形多功能超导型饱和铁芯交流故障限流器拓扑结构示意图；

图3为闭环铁芯式的混合励磁的饱和铁芯交流故障限流器拓扑结构示意图；

图4为本发明实施例的混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器的系统结构图；

图5为本发明实施例的混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器的铁芯拓扑结构图；

图6为本发明实施例的混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器的本体拓扑结构及稳态运行磁通路径；

图7(a)为本发明实施例t＝0.05s时，混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器的磁感应强度分布图；

图7(b)为本发明实施例t＝0.145s时，混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器的磁感应强度分布图；

图8为本发明实施例的混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器的限流性能效果图；

图9为本发明实施例的混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器的交流线圈电感变化曲线；

图10为本发明实施例的混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器的永磁体内的磁感应强度曲线；

图11为本发明实施例的混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器的永磁体内的涡流损耗功率曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施例提出了一种混合励磁的多功能饱和铁芯故障限流器拓扑结构，通过采用混合励磁的方式，更大幅度地降低直流损耗，可以通过改变直流励磁电流实现稳态输出电感平滑调节，具有励磁损耗低和稳态电感可调的优点。该拓扑还通过设置气隙边柱，减少了流经永磁体的磁通，降低了永磁体的涡流损耗，提高了永磁体的稳定性。该限流器能实现在电力系统正常运行时，有效调节电力系统潮流；当电力系统发生短路故障时，有效限制系统故障电流，同时降低了永磁体的涡流损耗，大大提高了限流器的利用率。

本实施例通过以下技术方案来实现，一种混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器，包括铁芯、第一直流绕组、第二直流绕组、第一交流绕组、第二交流绕组、直流励磁电源、永磁体、限流电感、保护电阻和避雷器；铁芯为五柱式结构，包括两个最外侧气隙支柱左外侧气隙支柱和右外侧气隙支柱、左右两个工作铁芯左工作铁芯和右工作铁芯、一个中间支柱以及上横轭和下横轭，中间支柱嵌有永磁体；第一直流绕组和第二直流绕组分别绕制在左工作铁芯和右工作铁芯上，并连接有直流外围电路；第一交流绕组和第二交流绕组用紧耦合的方式分别绕制在第一直流绕组和第二直流绕组外侧。

而且，直流外围电路包括：直流励磁电源U_s、限流电感L_f、保护电阻R以及避雷器MOV。直流励磁电源U_s与避雷器MOV并联再依次串联连接限流电感L_f和保护电阻R，保护电阻R和直流励磁电源U_s分别与第一直流绕组和第二直流绕组连接。

而且，左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯、右工作铁芯以及中间支柱截面为圆形、椭圆形或者矩形。

而且，左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯、右工作铁芯以及中间支柱截面均为矩形，其长度均相同，左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯的截面积相同，左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯的截面积均小于中间支柱的截面积；上横轭和下横轭的长度和截面积均相等；永磁体的截面积等于中间支柱的截面积；左外侧气隙支柱和右外侧气隙支柱的气隙长度小于永磁体的厚度。

而且，永磁体采用稀土永磁体材料钕铁硼。永磁体在左工作铁芯产生的磁通为逆时针方向，在右工作铁芯中产生的磁通为顺时针方向。

而且，第一交流绕组、第二交流绕组产生的交流磁通，只流经上下横轭、左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯，不流经永磁体所在的中间支柱。

而且，当电力系统处于正常运行状态时，左工作铁芯和右工作铁芯处于饱和状态，以确保电力系统正常运行时，限流电感不会通过耦合接入回路。

而且，当电力系统处于正常状态时，可以通过改变直流励磁电源的大小，来改变左工作铁芯和右工作铁芯的饱和程度。

混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器的限流方法：在每半个周期内，一个工作铁芯中的直流磁通与交流磁通方向一致，而另一个工作铁芯中的直流磁通与交流磁通方向相反。当电力系统处于正常状态时，电网工作电流较小，直流励磁电源和永磁体产生的直流磁动势较第一交流绕组、第二交流绕组产生的磁动势而言占据绝对优势，故正常工作时左工作铁芯、右工作铁芯受直流励磁电源和中间支柱上永磁体的共同影响而饱和；此时，可以通过调整直流励磁电源大小来改变软磁材料饱和程度，控制磁导率，可以实现限流器交流稳态输出电感的平滑调节，从而实现潮流调控。

在电力系统发生短路故障时，系统的故障电流将远超额定电流，由于第一或交流绕组、第二交流绕组产生的磁通与直流励磁电源和永磁体产生的磁通方向相反，使得左工作铁芯和右工作铁芯迅速交替的退出饱和；退出饱和后的工作铁芯磁导率迅速上升，导致交流绕组电感值较大，退饱和的工作铁芯上的交流绕组与直流绕组发生电磁耦合，直流绕组外围电路中的限流电感L_f将串入交流侧，限流器的对外电感迅速增大，因此限流器在一个完整的周期内限制了短路电流。

当电力系统发生短路故障时，交流磁通只流经限流器的左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯，而不经过永磁体。所以永磁体内的涡流损耗大幅度降低，延长了永磁体的使用寿命。

在故障排除后，故障电流迅速减小，此时整个系统的工作状态又恢复线路正常运行时的状态，故障限流器的整体阻抗值又迅速减小，再次进入到可控可调以调控潮流的状态。

具体实施时，如图4所示，一种混合励磁的多功能饱和铁芯故障限流器系统结构图，限流器包括铁芯、第一直流绕组、第二直流绕组、第一交流绕组、第二交流绕组、直流励磁电源、永磁体、限流电感、保护电阻和避雷器；铁芯为五柱式结构，包括左、右外侧气隙支柱，左工作铁芯I和右工作铁芯II、一个中间支柱以及上横轭和下横轭，中间支柱嵌有永磁体；第一直流绕组和第二直流绕组分别绕制在左工作铁芯和右工作铁芯上，并连接有外围电路；第一交流绕组和第二交流绕组用紧耦合的方式分别绕制在第一直流绕组和第二直流绕组外侧。左、右外侧气隙支柱的作用是在系统发生短路故障时，给交流磁通提供闭环支路，减少永磁体内的涡流损耗，保证永磁体的稳定性。正常运行时，左、右外侧气隙支柱无交流磁通流过。

N_ac、N_dc分别为铁芯上缠绕的交流绕组和直流绕组的匝数，U_dc、I_dc分别为直流偏置回路的电源电压和励磁电流，R_d为直流绕组外围电路保护电阻，L_f是限流电感。在限流工况下，可通过L_f的分压作用保护直流励磁电源。MOA为金属氧化物避雷器，避雷器与直流励磁电源并联，当交流侧耦合到直流侧的冲击电压超过直流励磁电源的电压耐受值时，避雷器动作，保护直流励磁电源。

限流器接入输电线路运行时，直流磁通经工作铁芯构成回路，永磁体励磁产生的磁通也在工作铁芯中构成回路，两个磁通共同作用于左右工作铁芯。

而且，左工作铁芯、右工作铁芯截面可以为圆形、椭圆形或矩形，本实施例中两个最外侧气隙支柱、左右两个工作铁芯以及中间支柱截面均为矩形，其长度均相同，两个最外侧气隙支柱和左右两个工作铁芯的截面积相同，两个最外侧气隙支柱和左右两个工作铁芯的截面积均小于中间支柱的截面积；上横轭和下横轭的长度和截面积均相等；永磁体的截面积等于中间支柱的截面积；最外侧气隙支柱的气隙长度小于永磁体的厚度。永磁体采用稀土永磁体材料钕铁硼。永磁体在左工作铁芯产生的磁通为逆时针方向，在右工作铁芯中产生的磁通为顺时针方向。第一、第二交流线圈产生的交流磁通，只流经上下横轭、两个最外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯，不流经永磁体所在的中间支柱。

当电力系统处于正常运行状态时，左工作铁芯和右工作铁芯处于饱和状态，以确保电力系统正常运行时，限流电感不会通过耦合接入回路。

当电力系统处于正常状态时，可以通过改变直流励磁电源的大小，改变左工作铁芯和右工作铁芯的饱和程度。

如图5所示，为故障限流器铁芯结构拓扑图。故障限流器系统主要包括三部分，限流器本体、直流励磁电源和限流电感。直流励磁电源与永磁体共同组成直流励磁系统，在系统正常状态下使工作铁芯处于深度磁饱和状态。限流电感的作用是在系统发生故障后及时串入系统中来抑制短路电流。

混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器等效电路图如图5所示，本实施例的工作过程为：在每半个周期内，一个工作铁芯中的直流磁通与交流磁通方向一致，而另一个工作铁芯中的直流磁通与交流磁通方向相反。当电力系统处于正常状态时，电网工作电流较小，直流励磁电源和永磁体产生的直流磁动势较第一第二交流绕组产生的磁动势而言占据绝对优势，故正常工作时左工作铁芯、右工作铁芯受直流励磁电源和中间支柱上永磁体的共同影响而饱和；此时，可以通过调整直流励磁电源大小来改变软磁材料饱和程度，控制磁导率，可以实现限流器交流稳态输出电感的平滑调节，实现潮流调控。

在电力系统发生短路故障时，系统的故障电流将远超额定电流，由于第一或第二交流绕组产生的磁通与直流励磁电源和永磁体产生的磁通方向相反，使得左右两工作铁芯迅速交替的退出饱和；退出饱和后的铁芯磁导率迅速上升，导致交流绕组电感值较大，退饱和的铁芯上的交流绕组与直流绕组发生电磁耦合，直流绕组外围电路中的限流电感L_f将串入交流侧，限流器的对外电感迅速增大，所以限流器在一个完整的周期内限制了短路电流。

当电力系统发生短路故障时，交流磁通只流经限流器的两个最外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯，而不经过永磁体。所以永磁体内的涡流损耗大幅度降低，延长了永磁体的使用寿命。

在故障排除后，故障电流迅速减小，此时整个系统的工作状态又恢复线路正常运行时的状态，故障限流器的整体阻抗值又迅速减小，再次进入到可控可调以调控潮流的状态。

如图6所示，为故障限流器的本体拓扑结构图及稳态运行时的磁通路径。故障限流器本体拓扑结构主要包括1个五柱式闭环铁芯、第一、第二直流绕组、第一、第二交流绕组和1块永磁体。其中，左、右外侧气隙支柱的作用是在系统发生短路故障时，给交流磁通提供闭环支路，减少永磁体内的涡流损耗，保证永磁体的稳定性。正常运行时，左、右外侧气隙支柱无交流磁通流过；铁芯I和铁芯II是起到限流作用的左右工作铁芯，第一直流绕组和第二直流绕组分别绕制在左工作铁芯和右工作铁芯上，并连接有外围电路；第一交流绕组和第二交流绕组用紧耦合的方式分别绕制在第一直流绕组和第二直流绕组外侧。此外，两组直流绕组的绕制方向彼此一致，而两组交流绕组绕制方向是相反的。所以，在每半个周期内，一个工作铁芯中的直流磁通与交流磁通方向一致，而另一个工作铁芯中的直流磁通与交流磁通方向相反。

本实施例的工作过程为：混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器等效电路图如图5所示，在每半个周期内，一个工作铁芯中的直流磁通与交流磁通方向一致，而另一个工作铁芯中的直流磁通与交流磁通方向相反。当电力系统处于正常状态时，电网工作电流较小，直流励磁电源和永磁体产生的直流磁动势较第一第二交流绕组产生的磁动势而言占据绝对优势，故正常工作时左工作铁芯、右工作铁芯受直流励磁电源和中间支柱上永磁体的共同影响而饱和；此时，可以通过调整直流励磁电源大小来改变软磁材料饱和程度，控制磁导率，进行限流器交流稳态输出电感的平滑调节，实现潮流调控。

在电力系统发生短路故障时，系统的故障电流将远超额定电流，由于第一或第二交流绕组产生的磁通与直流励磁电源和永磁体产生的磁通方向相反，使得左右两工作铁芯迅速交替的退出饱和；退出饱和后的铁芯磁导率迅速上升，导致交流绕组电感值较大，退饱和的铁芯上的交流绕组与直流绕组发生电磁耦合，直流绕组外围电路中的限流电感L_f将串入交流侧，限流器的对外电感迅速增大，所以限流器在一个完整的周期内限制了短路电流。

当电力系统发生短路故障时，交流磁通只流经限流器的两个最外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯，而不经过永磁体。所以永磁体内的涡流损耗大幅度降低，延长了永磁体的使用寿命。

在故障排除后，故障电流迅速减小，此时整个系统的工作状态又恢复线路正常运行时的状态，故障限流器的整体阻抗值又迅速减小，再次进入到可控可调以调控潮流的状态。

为了验证限流器的限流性能，探究气隙边柱对永磁体的涡流损耗的影响，并分析限流器调控潮流功能的可能性，在有限元仿真软件中搭建了220kV限流器模型，并对其进行了仿真。

在仿真中，交流电源电压有效值U_ac＝220kV，频率为50Hz；输电线路采用2×LGJQ-300型分裂导线，单位长度电抗x＝0.3087Ω/km，单位长度电阻r＝0.05252Ω/km，负载电阻R_load＝120Ω，故障后负荷电阻被短路。

t＝0.05s时，限流器磁感应强度分布云图如图7(a)所示，t＝0.145s时，限流器磁感应强度分布云图如图7(b)所示。t＝0.05s时，系统正常运行，此时2个工作铁芯始终处于深度饱和状态；t＝0.1s时，系统发生短路故障，在t＝0.1s之后，2个工作铁芯交替退饱和，直流侧的限流电感串入交流侧，以此来抑制短路故障电流。两侧工作铁芯中磁感应强度的交替变化，验证了本实施例限流原理分析的正确性。

当短路电力系统发生短路故障后，两侧的工作铁芯交替退饱和，退饱和铁芯上的交、直流绕组产生电磁耦合，直流侧的限流电感将串入交流侧限制短路电流。图8是限流电感为150mH时的电流变化曲线图。

当不加装限流器时，系统故障电流峰值将达到9.77kA。而当安装限流器后，且限流电感为150mH时，故障电流峰值被限制到5.09kA，限流系数为52.1％，具有良好的限流效果。

图9是在不同永磁体厚度情况下，交流绕组稳态对外输出电感的变化曲线。在满足正常时限流器的工作铁芯处于磁饱和状态，且短路故障后工作铁芯可以及时退饱和的前提下，直流励磁电流可以在1.6kA～3.2kA的大致区间内变化。直流励磁电流的改变将引起铁芯磁导率μ的变化，进而实现对交流绕组稳态输出电感的平滑调节。

同时，对限流器调节电感变化过程的波形质量进行了仿真分析。根据《电能质量：公用电网谐波》(GB/T 14549-93)国家标准，电压谐波畸变率不得超过2％。所以合理的直流励磁电流调节范围为2.0kA-3.2kA。此时系统电压最大谐波含量为1.91％，系统电流最大谐波含量为1.87％。

表1为交流线圈输出电感变化对线路传输的有功功率的影响。由表1可以看出，当限流器的交流电感为40mH，δ_AB＝90°时，包含限流器的线路传输的有功功率最大约为2.795×10⁵kW，相同条件下，理论计算结果约为2.807×10⁵kW。

表1

而当交流线圈的对外输出电感增大至70mH时，该条线路传输的有功功率降低至2.389×10⁵kW，输送有功功率可降至输出电感为40mH时的85.47％。因此，仿真证明了通过改变直流励磁电流来调节限流器交流线圈的对外输出电感，进而进行潮流调控是可行的。

图10为流经永磁体的磁感应强度变化曲线。如图10所示，在系统正常运行状态下，限流器与闭环铁芯式混合励磁型SCFCL的永磁体中基本都没有交流磁通。

当电力系统发生短路故障后，流经HSFCL永磁体的交流磁感应强度增大至0.35T，远大于lg＝0.2m时本发明实施例永磁体中的0.06T。而当本实施例的气隙间距由0.2m增大至0.4m时，永磁体的交变磁通增大至0.12T。由此可得，气隙间距越小，流经永磁体的交流磁通就越少。但气隙间距的减小会降低永磁体励磁的利用效率，合理的选择气隙参数可以兼顾永磁体的利用效率与稳定性。

图11为永磁体内的涡流损耗功率曲线。在正常状态下，本实施例(lg＝0.2m，下同)和HSFCL的永磁体内均基本不存在涡流损耗。故障后，HSFCL永磁体内的最大瞬时涡流损耗功率为1171kW，相比之下，本实施例的永磁体内最大瞬时涡流损耗功率只有140kW。在系统短路故障后，本实施例的损耗约为HSFCL的11.97％。由此可见，气隙支柱的引入较为明显地改善了永磁体内的涡流损耗问题，减少了永磁体的发热，保障了永磁体的稳定性。

综上所述：

1)本实施例混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器能在系统正常状态下维持小电感运行，在电力系统发生短路故障时快速退饱和变成大电感限流，该限流器具有降低直流损耗和控制稳态电感平滑调节的优点。其限流性能与交流绕组参数和外加限流电感大小有关。

2)本实施例混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器相较于串联补偿功能的“口”字形限流器以及控制型串联补偿功能的“口”字形限流器，采用混合励磁的方式，更大幅度地降低直流损耗，可以通过改变直流励磁电流实现稳态输出电感平滑调节。

3)本实施例混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器相较于闭环铁芯式的混合励磁型SCFCL，通过设置气隙边柱，减少了流经永磁体的磁通，降低了交变磁通经永磁体时会产生的涡流效应以及所引起永磁体的发热问题，使永磁体面临退磁风险降低，提高永磁体和限流器的稳定性。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器，其特征在于：包括铁芯、第一直流绕组、第二直流绕组、第一交流绕组、第二交流绕组和直流外围电路；所述铁芯为五柱式结构，包括左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、中间支柱、左工作铁芯、右工作铁芯、上横轭和下横轭，左工作铁芯位于左外侧气隙支柱与中间支柱之间，右工作铁芯位于右外侧气隙支柱与中间支柱之间，上横轭和下横轭分别位于所有支柱的上方和下方，中间支柱嵌有永磁体；第一直流绕组和第二直流绕组分别绕制在左工作铁芯和右工作铁芯上，并连接直流绕组外围电路；第一交流绕组和第二交流绕组采用紧耦合的方式分别绕制在第一直流绕组和第二直流绕组外侧，且第一直流绕组与第二直流绕组绕制方向一致，第一交流绕组与第二交流绕组绕制方向相反。

2.根据权利要求1所述混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器，其特征在于：所述直流绕组外围电路包括直流励磁电源、限流电感、保护电阻和避雷器；避雷器与直流励磁电源并联后依次与限流电感和保护电阻串联；保护电阻与第一直流绕组连接，直流励磁电源与第二直流绕组连接。

3.根据权利要求1所述混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器，其特征在于：左工作铁芯、右工作铁芯以及中间支柱截面为圆形、椭圆形或者矩形。

4.根据权利要求1所述混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器，其特征在于：左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯、右工作铁芯以及中间支柱截面均为矩形，其长度均相同，左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯的截面积相同，左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯的截面积均小于中间支柱的截面积；上横轭和下横轭的长度和截面积均相等；永磁体的截面积等于中间支柱的截面积；左外侧气隙支柱和右外侧气隙支柱的气隙长度小于永磁体的厚度。

5.根据权利要求1所述混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器，其特征在于：永磁体采用稀土永磁体材料钕铁硼；永磁体在左工作铁芯产生的磁通为逆时针方向，在右工作铁芯中产生的磁通为顺时针方向。

6.根据权利要求1所述混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器，其特征在于：第一交流线圈和第二交流线圈产生的交流磁通流经上横轭、下横轭、左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯，不流经中间支柱。

7.根据权利要求1-6任意一项所述混合励磁的多功能饱和铁芯交流故障限流器的限流方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在每半个周期内，左工作铁芯和右工作铁芯其中之一的直流磁通与交流磁通方向一致，另一个工作铁芯中的直流磁通与交流磁通方向相反；

2)当电力系统处于正常状态时，电网工作电流小，直流励磁电源和永磁体产生的直流磁动势较第一交流绕组和第二交流绕组产生的磁动势而言占据绝对优势，正常工作时左工作铁芯、右工作铁芯受直流励磁电源和永磁体的共同影响而饱和，通过调整直流励磁电源大小来改变软磁材料饱和程度，从而控制磁导率，进行故障限流器交流稳态输出电感的平滑调节，实现潮流调控；

3)当电力系统发生短路故障时，系统的故障电流超过额定电流，第一交流绕组或第二交流绕组产生的磁通与直流励磁电源和永磁体产生的磁通方向相反，使得左工作铁芯和右工作铁芯迅速交替的退出饱和；退出饱和后的工作铁芯磁导率上升，导致交流绕组电感值增大，退出饱和的工作铁芯上的交流绕组与直流绕组发生电磁耦合，直流绕组外围电路中的限流电感将串入交流侧，故障限流器的对外电感增大，从而在一个完整的周期内限制短路电流；

4)当电力系统发生短路故障时，交流磁通流经左外侧气隙支柱、右外侧气隙支柱、左工作铁芯和右工作铁芯，不经过永磁体，使得永磁体内的涡流损耗大幅度降低；

5)在故障排除后，故障电流减小，电力系统的工作状态恢复正常状态，故障限流器的整体阻抗值减小。

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